Kostenoptimierte Prozessketten für duromere Class-A CFK Sichtbauteile in Großserienprozessen
- Der Trend, Leichtbau mit Class-A CFK Sichtbauteilen in Fahrzeugsegmenten mit hohen Stückzahlen emotional und ästhetisch zu inszenieren, nimmt weiter zu. Als Class-A Oberflächen werden im Automobilbau diejenigen Flächen bezeichnet, die der Betrachter direkt und genau sehen kann, woraus sich die höchsten Ansprüche an Glattheit, Fehlerfreiheit und Stetigkeit ergeben. Dabei sind Gestaltabweichungen in Form von Faserdurchzeichnungen ein charakteristisches Merkmal von CFK-Bauteilen, das es erschwert Komponenten mit Class-A Oberflächen kosteneffizient in hohen Stückzahlen zu erzeugen. Der Aufwand der Oberflächenveredelung über eine Lackierung übersteigt dabei auch bei Großserienbauteilen die Kosten der Bauteilherstellung selbst.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass in einer hochautomatisierten Großserienproduktion von im Nasspressverfahren hergestellten Class-A CFK-Dächern größere Kosteneinsparungen und Stückzahlerhöhungen erst durch eine ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette möglichDer Trend, Leichtbau mit Class-A CFK Sichtbauteilen in Fahrzeugsegmenten mit hohen Stückzahlen emotional und ästhetisch zu inszenieren, nimmt weiter zu. Als Class-A Oberflächen werden im Automobilbau diejenigen Flächen bezeichnet, die der Betrachter direkt und genau sehen kann, woraus sich die höchsten Ansprüche an Glattheit, Fehlerfreiheit und Stetigkeit ergeben. Dabei sind Gestaltabweichungen in Form von Faserdurchzeichnungen ein charakteristisches Merkmal von CFK-Bauteilen, das es erschwert Komponenten mit Class-A Oberflächen kosteneffizient in hohen Stückzahlen zu erzeugen. Der Aufwand der Oberflächenveredelung über eine Lackierung übersteigt dabei auch bei Großserienbauteilen die Kosten der Bauteilherstellung selbst.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass in einer hochautomatisierten Großserienproduktion von im Nasspressverfahren hergestellten Class-A CFK-Dächern größere Kosteneinsparungen und Stückzahlerhöhungen erst durch eine ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette möglich werden. Hierfür wird eine Prüfkette vorgestellt, die es ermöglicht für die Zwischenprodukte jedes Prozessschritts - vom textilen Halbzeug bis zum lackierten Endbauteil - die Oberflächentopografie mit demselben DIN-genormten Kennwert „Sa“ zu quantifizieren. Damit können für jeden relevanten Zwischenschritt Grenzwerte gesetzt werden, die eine Vorhersage der Endbauteilqualität ermöglichen. Optimierungsansätze können dadurch direkt an der Stelle des Prozesses bewertet werden, an der sie wirken. Es wird zunächst gezeigt, dass nur durch die Änderung eines Textilparameters die Oberflächenqualität von Class-A CFK Bauteilen verbessert und gleichzeitig eine Taktzeitverkürzung erreicht werden kann. Dabei wird auch eine taktzeitrelevante Prozessgrenze von Epoxidharzsystemen in warmhärtenden Verfahren ermittelt. Aufgrund der messbaren Erhöhung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Matrix muss für eine minimale Zykluszeit bei optimaler Oberflächenqualität die Werkzeugtemperatur TWz bei Entnahme stets unter der Glasübergangstemperatur Tg liegen (TWz ≤ Tg). Weiter wird gezeigt, dass starke Faserdurchzeichnungen von CFK-Bauteilen, die diese Bedingung nicht erfüllen, über eine kalthärtende Beschichtung mit UV-Lacken ausgeglichen werden können, was die Schlagdistanz von Class-A CFK-Bauteilen zu Stückzahlen von Strukturbauteilen ohne Class-A Anforderungen verringert.
Die ganzheitliche Betrachtung der interdisziplinären Prozesskette ermöglicht auch Ansätze, bei denen der Prozessaufwand in einem Teilabschnitt bewusst erhöht wird, um an anderer Stelle einen größeren Impact auf die Optimierung des Gesamtsystems zu erreichen. Dabei wird gezeigt, dass durch die Integration von Trennfolien in den Nasspressprozess trennmittelfreie und direkt lackier- bzw. verklebbare Class-A CFK Bauteilen hergestellt werden können, was den Aufwand und damit die Kosten der Oberflächenveredelung deutlich verringert.
Somit tragen die Erkenntnisse dieser Arbeit wesentlich dazu bei, dass duromere Class-A CFK Sichtbauteile zukünftig in deutlich höheren Stückzahlen bei gleichzeitiger Reduktion von Prozesszeiten, Ressourcen und Kosten hergestellt werden können. Auf diese Weise wird Leichtbau und die damit verbundene CO2-Reduktion im Fahrbetrieb mit sichtbaren Außenhautkomponenten für Fahrzeugsegmente mit höheren Absatzvolumen verfügbar und kann so einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit im Fahrzeugbau leisten.…
- The demand for Class-A carbon fiber parts (CFRPs) used as cosmetic applications for high volume premium cars is still increasing. In an automotive context the term “Class-A” stands for surfaces that one can see directly and precisely, resulting in the highest demands on smoothness, gloss, accuracy, and continuity. Shape deviations due to fiber print-through are a characteristic surface defect of CFRP components, which makes it difficult to produce components with Class-A surfaces cost-effectively in high quantities. Therefore, the cost of surface finishing via a coating exceeds the process costs of component production itself even for large-scale production components.
In this work it is shown that in a highly automated large-scale production of Class-A CFRP roofs manufactured by wet compression molding (WCM), major cost savings and increase in quantities are only possible through a holistic view of the process chain. For this purpose, a test method is presented that makes it possibleThe demand for Class-A carbon fiber parts (CFRPs) used as cosmetic applications for high volume premium cars is still increasing. In an automotive context the term “Class-A” stands for surfaces that one can see directly and precisely, resulting in the highest demands on smoothness, gloss, accuracy, and continuity. Shape deviations due to fiber print-through are a characteristic surface defect of CFRP components, which makes it difficult to produce components with Class-A surfaces cost-effectively in high quantities. Therefore, the cost of surface finishing via a coating exceeds the process costs of component production itself even for large-scale production components.
In this work it is shown that in a highly automated large-scale production of Class-A CFRP roofs manufactured by wet compression molding (WCM), major cost savings and increase in quantities are only possible through a holistic view of the process chain. For this purpose, a test method is presented that makes it possible to quantify the surface topography of the relevant intermediate states of each process step - from dry textile to the finished coated Class-A component - with the same DIN standardized parameter "Sa". Limit values can thus be set for each relevant intermediate step, which enable a prediction of the final component quality. Hence, optimization approaches can be evaluated directly at the point in the process where they take effect. First, it is shown that just by changing a textile parameter, the surface quality of Class A CFRP components can be improved, and a cycle time reduction can be achieved at the same time. A cycle-time-relevant process limit of epoxy resin systems in thermoset processes is also determined. Due to the measurable increase in the thermal expansion coefficient of the matrix, the tool temperature TWz has to be below the glass transition temperature Tg during removal for a minimum cycle time with optimal surface quality (TWz ≤ Tg). It is also shown that strong fiber print-through of CFRP components that do not meet this condition at removal can be compensated by a UV-curing clear coat, which enables the production of Class-A CFRP components in quantities of structural components without Class-A requirements.
The holistic view of the interdisciplinary process chain also enables approaches in which the effort is consciously increased in one process step to achieve a greater impact on the optimization of the overall system elsewhere. It is shown that by integrating release films into the WCM-process, release agent-free and directly paintable and bondable Class-A CFRP components can be produced, which significantly reduces the pretreatment effort and thus the costs of surface finishing.
The findings of this work thus make a significant contribution to being able to manufacture thermoset-based Class A CFRP visible components in significantly higher quantities and at the same time to reduce process times, resources, and costs. So lightweight construction and the associated CO2 reduction potentials will be available for vehicle segments with higher sales volumes and can therefore make an important contribution to sustainability in vehicle construction.…
